地铁车辆客室照明集中供电的安全性设计

盛银胜 薛淑胜 张 顺

(中车南京浦镇车辆有限公司,210032,南京//第一作者,高级工程师)

地铁车辆客室照明集中供电的安全性设计

盛银胜 薛淑胜 张 顺

(中车南京浦镇车辆有限公司,210032,南京//第一作者,高级工程师)

介绍了在地铁车辆集中供电客室照明系统设计过程中,设计人员运用故障模式影响分析(FMEA)技术,对该系统设计方案安全性的改进过程。通过对初始设计方案中主要部件进行FMEA,识别了这些设备中可能会导致安全隐患的单点故障。根据FMEA的结果,对设计方案进行了必要的改进,从而保证了设计方案的安全性。

地铁车辆; 客室照明; 集中供电; 安全性; 可靠性; 故障模式影响分析

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210032,Nanjing,China

传统的地铁车辆照明系统,每个灯具配备单独的电源,整车采用两路正常照明与一路紧急照明交叉布置的工作冗余方式,来保证地铁车辆客室照明的可靠性及安全性。这样,在其中的任何一路发生供电故障时,列车仍然能够提供足够的照明能力。但随着LED (发光二极管)灯具在地铁车辆上普及,每个灯具配备单独电源的技术方案已经不能发挥LED灯具高可靠性的特点。本文介绍了采用集中供电方式的地铁车辆LED照明系统设计方案,重点介绍系统的安全性设计过程。

1 传统LED照明系统的缺点及解决方案

随着LED照明技术的发展,节能环保的LED照明设备在地铁列车上得到了广泛应用。早期的LED照明灯具与传统的荧光灯类似,每个灯具附带一个电源为该灯具提供电能。客室照明系统的设计仍然采用两路正常照明与一路紧急照明交叉布置且同时工作的冗余方式来保证地铁车辆客室照明的可靠性及安全性。

早期的LED灯具由若干个灯珠和一个电源组成,单个灯珠的故障对灯具的照度影响很小,但如果电源失效的话,将导致整个灯具失去照明能力。由于列车需要的灯具很多,仅一辆B型车就需要近30个,因此即使单个LED灯具故障率很低,但对于列车来说,灯具的故障率还是相对较高,这会降低乘客的舒适性并增加维修费用。

为此,车辆设计人员利用LED灯具低能耗的特点,开发了采用集中电源供电的LED照明系统。该系统将车辆的照明分为两路主要照明灯带和一路贯通道照明灯,每路灯带采用2个集中供电电源冗余供电,当其中的一个集中供电电源发生故障时,冗余的另外一个集中供电电源能够独自为灯带提供电力。为保证冗余的有效性,设计人员采用列车控制管理系统(TCMS)对集中供电电源的状态进行实时监控。这一设计方法将原来每车近30个LED灯具电源变为每车4个集中供电电源,有效提高了照明系统的可靠性。同时,该方案还对集中供电电源状态进行实时监控,一旦其中的某个集中供电电源发生故障,可以及时安排人员进行维修,从而保证了冗余的有效性。

2 照明系统的安全性设计

2.1 初始设计方案

2.1.1 照明系统设计方案

车辆集中供电的LED照明系统的初始设计方案如图1所示:将每节车厢照明灯具分为3组(两路主要灯带PLI和贯通道灯GWELI)。每车设置4个集中控制电源,每2个集中控制冗余电源为一组。列车给2组冗余电源的供电通过同一个客室照明接触器PLK来实现。2个集中控制冗余电源POWER同时为一路主要灯带和贯通道灯供电;当其中一个冗余电源故障时,另外一个冗余电源能够单独为负载供电。冗余电源的状态由TCMS进行监控,当TCMS检测到辅助逆变器发生故障时,TCMS给调光控制器发出紧急照明启动信号DO-ELSTART,灯带调光器控制主要灯带降低照明亮度,实现紧急照明,从而保证蓄电池的紧急供电时间能够持续45 min。

2.1.2 照明系统与TCMS的接口及控制原理

照明系统与TCMS的硬线接口原理如图2所示。

图1 初始LED照明系统设计方案

图2 照明系统与TCMS的硬线接口原理图

TCMS对照明系统的控制和监控功能的软件需求如下:

紧急照明启动功能:当一列车的两台辅助逆变器均故障时(_IxAPSOK_1=0,且_IxAPSOK_6=0),VCU内部紧急照明启动信号被激活(LGT_xELStart=1)。该信号被发送到每个车的RIOM11、ROIM21、RIOM31。

集中供电电源故障:对于C1/C6车,当某辆车的照明集中供电电源故障时,电源故障信号(_IxPSFlt =1)被发送到VCU,则VCU内部集中供电电源故障信号被激活(LGT_xPSFlt_Car=1)。该信号被存储在FDL中,同时发送到DDU图标显示。其它车辆与C1/C6车类似,只是信号采集的输入输出模块RIOM不同。当一列车至少有一辆车集中供电电源故障时,“照明系统3级故障”信号激活(LGT_xLGTFltGrade3=1)。该诊断用于整列车。

2.2 初始方案的安全性分析

由于这是一个全新的照明系统设计方案,且紧急照明与列车安全密切相关,因此采用故障模式影响分析(FMEA)技术对该方案进行了详细的安全性分析。表1为针对该电路中主要部件开展的FMEA。

表1 照明系统主要部件FMEA

通过FMEA,可以得出紧急照明启动信号DO-ELSTART及客室照明供电接触器PLK对本系统来说是单点故障。若其发生故障、会影响到乘客的安全。其中,DO-ELSTART若无法发出紧急照明启动信号的话,会导致照明系统仍保持正常照明亮度而过多消耗列车的蓄电池电能,使得蓄电池无法提供45 min的紧急供电。其影响是致命的,极端情况下甚至会导致灾难性的后果。当PLK吸合机构发生故障时,车辆将失去全部主要灯带照明而仅剩下贯通道照明,无法保证紧急照明的亮度。其影响是临界性的,如果这时列车失去中压,本车厢将无法提供紧急照明,可能会导致致命性的后果。因此,这两种故障模式都是不能接受的,应采取必要的措施来降低这两种故障模式的风险。

危害补偿措施的优先顺序如下:

(1) 通过设计手段消除危害;

(2) 通过设计途径控制危害;

(3) 通过安全装置控制危害;

(4) 通过警报装置控制危害;

(5) 通过操作程序和培训控制危害。

如同表1中的补偿措施,本系统采用的措施是通过设计途径控制危害。即采用设计冗余来降低危害发生的概率。

3 最终设计方案及关键元器件选型

根据初始设计方案的FMEA结果,需要按照FMEA中制定的补偿措施对初始设计方案进行改进,以降低DO-ELSTART及PLK两个部件相应故障模式的风险;同时,还要对电路中的关键元器件故障率进行预计,以评估选型的合理性。

3.1 最终设计方案

改进后的设计方案如图3所示。本方案的主要改进之处包括:①为DO-ELSTART并联了一个冗余的紧急供电接触器EPK触点,当列车出现故障需要紧急供电时,司机按下紧急通风开关的同时,将驱动EPK,空调系统启动应急通风。这时EPK在本照明电路中并联的触点向灯带调光器发出紧急照明信号,本信号与TCMS发出的DO-ELSTART信号互为冗余。②为PLK触点并联了一个PLK1触点,两者互为冗余。

图3 LED照明系统最终设计方案

3.2 关键元器件故障率预测

通过FMEA,得知DO-ELSTART故障的危害性很大,因此必须对其冗余的EPK进行故障率预测,评估其选型的合理性。

该接触器的负载类型为感性负载,工作在平稳移动的地面车辆上,工作电流15 A,工作环境温度55 ℃,应用类别为大功率,动作速率小于1次/h,需采用三刀双掷触点型式。

经选型计算,EPK选用施耐德LC1-D258FDC。该继电器额定温度为85 ℃,额定阻性负载电流为25 A,结构形式为衔铁式(短),质量等级为B2级。

根据GJB/Z 299C—2006《电子设备可靠性预测》,接触器的工作失效率λP预测模型为:

λp=λbπEπQπC1πCYCπrπAπC

式中:

λb——基本失效率;

πE——环境系数;

πQ——质量系数;

πC1——触点形式系数;

πCYC——动作速率系数;

πr——额定负载系数;

πA——应用系数;

πC——结构系数。

结合上文给出的参数,查阅GJB/Z 299C—2006,可得λb=0.153 7次/106h,πE=4,πQ=0.60,πC1=3,πCYC=0.1,πr=2,πA=1.8,πC=3.5。则λp≈1.39次/106h。

从该接触器的故障预测过程及故障预测结果可知,该接触器选型合理,能够满足安全要求。

4 结语

在地铁车辆集中供电照明系统这一新技术的应用过程中,通过对照明系统初始设计方案中的主要部件开展FMEA,识别出了其中潜在的安全隐患并制订了相应的补偿措施。在最终的系统设计方案中,根据FMEA的结果,通过冗余设计,从设计上保证了列车照明系统的安全性。目前该集中供电照明系统已在10列车上通过调试并交付给用户,现场使用情况良好。

[1] 中国人民解放军总装备部.故障模式、影响及危害性分析:GJB 1391—2006 [S].北京:总装备部军标出版发行部,2006:22-24.

[2] 刘帼巾.接触器式继电器的触点失效物理分析[J].低压电器,2006(7):12.

[3] PATRICK D T,O` Connor.实用可靠性工程[M].4版.北京:电子工业出版社,2005:282.

[4] 中国人民解放军总装备部.电子设备可靠性预计手册:GJB/Z 299C—2006 [S].北京:总装备部军标出版发行部,2007:137-147.

Design for the Safety of Centralized Saloon Illumination Power Supply in Metro Train

SHENG Yinsheng, XUE Shusheng, ZHANG Shun

The safety design process of centralized saloon illumination power supplyin metro train is introduced.In which,the designers implement FMEA to improve the system design.By identifying the potential hazards in the initial design scheme and according to the result of FMEA,some compensation provisions are proposed to assure the safety of illumination system.

metro train; saloon illumination system; centralized power supply; safety; reliability; FMEA (failure mode and effects analysis)

U270.38+1:U231

10.16037/j.1007-869x.2017.04.013

2015-05-15)